Introdução a instrumentação e controle

Instrumentação e Controle

Uma Introdução

Marco Antônio Ribeiro

LC

FC

I

nstrumentação e Controle

Uma Introdução

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a todos que foram meus alunos, com quem muito aprendi

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão, ou então, que tem razão para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg)

© Tek Treinamento & Consultoria Salvador, BA, Verão 2002

Prefácio

Este trabalho foi escrito para um curso básico e introdutório de

Instrumentação e Controle de Processo. Ele pode ser útil a quem nunca teve

experiência anterior com o assunto, a quem não quer se tornar especialista, porém,

necessita de conhecimentos básicos para se comunicar com o instrumentista.

Sobre Instrumentação, o trabalho apresenta de modo simples e direto os

conceitos fundamentais sobre Processo industrial, os componentes da Malha de

Instrumentos e descreve com mais detalhes as Funções dos Instrumentos, tais

como elemento sensor, indidcaor, registrador, transmissor e controlador. No capítulo

de Variáveis Medidas, são mostrados os métodos de medição das principais

variáveis de processo: pressão, temperatura, vazão e nível.

Sobre Controle, são apresentados os conceitos de Controle de Processo,

com as estratégias avançadas de cascata, auto-seletor, faixa dividida e relação de

vazões. São mostradas as diferenças entre o controle contínuo e o Controle

Lógico. Além do controle de processo, explicam-se os conceitos de Alarme e

Desligamento, que são usados para proteção e monitoração dos sistemas de

controle. Nesta parte, é estudado também o Elemento Final de Controle,

geralmente a válvula de controle. Também estuda-se a Hierarquia de Controle, que

é a integração das várias camadas da automação do processo.

Há ainda os capítulos referentes a Influências Externas que afetam os

equipamentos de instrumentação e a Documentação de Instrumentação apresenta

os principais diagramas elaborados na Instrumentação. Para encerrar o trabalho, é

apresentado como apêndice, o Estilo e Escrita do SI, que mostra as regras

semânticas e sintáticas para escrever corretamente números, unidades e símbolos

de unidades de grandezas físicas.

As críticas destrutivas devem ser enviadas ao autor, que agradece

penhoradamente.

Endereço físico do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230

Fone (0xx71) 452.3195, Fax (0xx71) 452.3058 e Celular (071) 9989.9531.

Conteúdo

1 PROCESSO

1

1.3. Necessidade dos Instrumentos 2

Faixa e precisão da medição 2

Operabilidade 2 Qualidade do processo 3 Contabilidade e Segurança 3 Eficiência do processo 3 Custo de trabalho 3

2 MALHA DE INSTRUMENTOS

4

2.1. Seqüência de funções em uma malha 4 2.2. Combinando funções em um único instrumento 5

3 FUNÇÕES DOS

INSTRUMENTOS

7

3.1. Princípios Gerais de Medição 7

Medições diretas ou inferidas 7

Medições estáticas e dinâmicas 8

Calibração do Instrumento 8 Verdade na Medição 8 3.2. Transmissão da Informação 10 Cadeia da informação 10 Sinais de Instrumento 11 Faixas de sinais 12 Tipo 16 Meio 16 Valores 16 Expressão da exatidão 16 Observações 16 Sinais convergentes 18

Canal de Sinal Compartilhado 18

Identificação e símbolos dos instrumentos 18 Notas para a Tabela das Letras de

Identificação 20

3.3. Indicação e Retenção da Informação 22

Apresentação da Informação Não

Permanente 22

Retendo a Informação Permanente 24

Seqüência ISA A (Anteriormente 1) 26 Seqüência ISA F1A (Anteriormente, 4A) 26

4 VARIÁVEIS MEDIDAS 27

4.1. Introdução 27

Conceito 27

Unidades do SI 27

4.2. Medição de Pressão 28

Conceitos de pressão e força 28

Tipos de pressão 28 Sensores de Pressão 29 4.3. Medição de Temperatura 30 Conceito 30 Unidades 30 Escalas de temperatura 30 Sensores de temperatura 30 Acessórios 33 4.4. Medição de Vazão 35 Conceito 35 Unidades 35 Medidores de Vazão 35 Tipos de Medidores 36

Seleção dos Medidores 38

4.5. Medição de Nível 43

Conceito 43 Unidades 43

5 CONTROLE DE PROCESSO 46

5.1. Introdução 46 5.2. Malha aberta ou fechada 46 5.3. Controle Automático 47

Controle binário 47

Controle Proporcional 48

Controle Proporcional mais Integral 48 Controle Proporcional mais Integral mais Derivativo 49 Controlabilidade do processo 49 5.3.6. Sintonia do Controlador 53 5.4. Controle Multivariável 54 Relação 54 Cascata 54 Auto-seletor 55

Faixa dividida (Split range) 56

6 ELEMENTO FINAL DE

CONTROLE 57

7 CONTROLE LÓGICO 65

7.1. Conceito 65 7.2. Funcionamento 65 7.3. Vantagens do Controle Lógico 68 7.4. Realização do Controle Lógico 68

Componentes do circuito lógico 68

Controlador Lógico Programável 68

7.5. Chave 70

Conceito 70

Polos e Terminais 70

Representação dos contatos 71

Chave Liga-Desliga (Toggle) 71

Chave Botoeira (Push-Button) 72

Chave Seletora 72

Critérios de Seleção 72

Chaves Automáticas 72

8 ALARME E DESLIGAMENTO 75

8.1. Componentes 75

8.2. Tipos de Sistemas de Alarme 76

8.3. Regras de desligamento automático 77

9 HIERARQUIA DO CONTROLE 81

9.1. Objetivos da Planta 81 9.2. Hierarquia do Controle 81 9.3. Formato das Malhas de Controle de Processo 81 Instrumentação convencional 82 Instrumentação inteligente 84 Aplicações típicas 85 Uma avaliação 89

10 INFLUÊNCIAS EXTERNAS 90

10.1. Efeitos sobre os materiais 90

Da temperatura 90 Da umidade 90 Da explosão 91 Dos contaminantes 92 Da radioatividade 93 Da vibração 93 Do raio 93 10.2. Efeitos na Exatidão 93 Da temperatura 93 Da umidade 94 Da pressão 94 Dos contaminantes 94

Do raio e de outros fenômenos elétricos 94

Da gravidade 94

10.3. Fontes de Alimentação 94

Fonte elétrica 94

Fonte pneumática 94

11 SELEÇÃO DOS

INSTRUMENTOS 96

11.1. Exatidão da malha 96 11.2. Confiabilidade 97

Conceito 97

Número de componentes da malha 98

Redundância 98 Vantagens da Instrumentação 99 11.3. Fatores humanos 100 11.4. Padronização de equipamento 101 11.5. Especificações de instrumentos 101 11.6. Considerações Gerenciais 102

Benefícios de um novo sistema 102

Custos do sistema proposto 102

Avaliação da proposta 103

12 DOCUMENTOS DE

INSTRUMENTAÇÃO 104

12.1. Introdução 104

12.2. Diagramas de Processo da Planta 104

12.3. Critérios de Instrumento 105 12.4. Diagramas de Malha 105 12.5. Especificações de Instrumentos 105 12.6. Documentos de Computador 105 12.7. Diagramas do Anunciador 106 12.8. Diagramas de Construção 106 12.9. Requisição de Compra 106 12.10. Descrição do sistema 106 12.11. Índice de instrumentos 106

APÊNDICE A ESTILO E ESCRITA

DO SI 108

1. Introdução 108

2. Maiúsculas ou Minúsculas 108

3. Pontuação 109

4. Plural 110

5. Agrupamento dos Dígitos 110

6. Espaçamentos 111 7. Índices 112 8. Unidades Compostas 112 9. Uso de Prefixo 113 10. Ângulo e Temperatura 113 11. Modificadores de Símbolos 114

1

Processo

1.1. Conceito de Processo

Um processo é qualquer operação ou seqüência de operações envolvendo uma alteração na substância sendo tratada. Exemplos de processo:

1. Uma mudança no estado da energia, como de quente para frio ou líquido para gás.

2. Uma mudança de composição, como ocorre em uma reação química ou mistura física de duas substâncias diferentes.

3. Uma mudança de dimensão, como na moagem de carvão.

Um processo pode ser complexo, como a produção de gasolina através da distilação da mistura complexa de produtos químicos do óleo cru ou pode ser simples, como o bombeamento d'água de um lugar a outro. Processo pode ser: 1. resfriamento do ar ambiente de uma sala

para uma temperatura desejada, 2. pasteurização de leite,

3. manutenção em valores constantes da velocidade, direção e elevação de um avião,

4. controle de um conjunto de elevadores em um edifício,

5. operação de um coração artificial, 6. embalagem de alimentos,

7. engarrafamento de líquidos, 8. rastreamento de uma estrela pelo

telescópio,

9. rastreamento de um navio por radar. Para todos estes processos, se aplicam certos princípios universais de medição e controle através de equipamentos e técnicas que podem ser muito diferentes. Também os títulos das pessoas que supervisionam ou dirigem o processo podem variar muito, como operador de fábrica, enfermeira de hospital, piloto de avião, astrônomo, técnico de radar, ascensorista e muitos outros.

Este trabalho focaliza a instrumentação usada na indústria, principalmente na indústria de processo, que incluem a química,

petroquímica, siderúrgica, mineração, alimentícia, farmacêutica. Os instrumentos

mencionados neste trabalho são aqueles usados nestas indústrias.

Cada processo possui várias propriedades que podem variar, tais como pressão,

temperatura, nível, vazão, acidez, cor,

quantidade, viscosidade e muitas outras. Cada uma destas propriedades é chamada de

variável de processo. Os valores destas

variáveis podem ser medidos e enviados para locais distantes através de sinais. As medições podem ser lidas, usadas para controle ou armazenadas.

Fig. 1.1. Esquema simplificado de processo

1.2. Instrumentos de Processo

Um instrumento de processo é um

dispositivo usado direta ou indiretamente para desempenhar uma ou mais das seguintes três funções:

1. medição 2. controle 3. manipulação.

Medição

Medir é determinar a existência ou valor de uma variável. Os instrumentos de medição incluem todos os dispositivos usados direta ou indiretamente para este objetivo. Sistemas de medição podem incluir instrumentos auxiliares para fornecer indicações ou alarmes, para calcular valores derivados ou para

desempenhar outras funções. Energia (entradas) Processo Industrial Produtos (saídas) Materiais (entradas) Energia (saídas)

Processo

Controle

Controlar é fazer uma variável do processo, chamada de variável controlada, se manter em um valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterar de um modo especificado. Por exemplo, a temperatura da sala pode ser controlada por um termostato para se manter constante. Um controlador requer e comanda outro dispositivo chamado de elemento final de controle. Um controlador automático pode ser visto como um cérebro automático que não tem músculo. O músculo é o elemento final de controle. Os diferentes controladores podem operar automaticamente ou por ajuste manual.

Fig. 1.2. Processo industrial e instrumentos

Manipulação

Manipular é fazer um elemento final de controle variar diretamente uma variável de processo de modo a conseguir o controle de outro variável do processo. Por exemplo, o termostato do controle de temperatura da sala operar um damper de ar, que manipula a vazão de ar. O elemento final obedece ao controlador e segue sempre seu comando, que vem através de um sinal.

As três funções de medir, controlar e manipular são geralmente referidas na forma simplificada de medição e controle. Neste termo descritivo, a manipulação está absorvida pelo controle, porque ambas as funções estão envolvidas na ação corretiva de controlar o processo. Mesmo assim, é importante distinguir as funções diferentes de controlar e manipular.

O termo instrumentação de processo cobre as categorias acima de instrumentos, mas também inclui os instrumentos acessórios associados, como fiações, tubulações, reguladores, conjuntos distribuidores, poços, selos. Eles excluem as fontes de alimentação que simplesmente possibilitam o

funcionamento dos instrumentos.

1.3. Necessidade dos Instrumentos

A história da humanidade está ligada ao uso de instrumentos. Desde os tempos primitivos o homem mede distância, tempo e massa. A idade do controle automático começou com o inglês James Watt, no século XIX, com a invenção de um governador para controlar a velocidade de uma turbina a vapor. Isto evoluiu para o universo moderno da instrumentação que tem uma variedade quase infinita de funções, construções e objetivos.

Atualmente, está se idade do computador, genérico e dedicado, que está associado com os instrumentos convencionais para medir e controlar todos os tipos de processo. As capacidades dos sistemas de instrumentos estão continuamente aumentando com benefícios para a industria.

Faixa e precisão da medição

Qualquer que seja a variável envolvida, há muita dificuldade para se medir três coisas:

1. valores muito pequenos, 2. valores muito grandes e 3. faixas muito estreitas.

Atualmente, os instrumentos medem valores cada vez menores e maiores. Os instrumentos podem medir dimensões sobre uma faixa de microns a anos-luz, podem medir intervalos de tempo de 10-10 s a 1010 anos, pesos menores que 10-9 de grama até várias toneladas, muito além dos limites humanos. Analisadores químicos fornecem medições automáticas de composição em ppb (parte por bilhão). Somente através de instrumentos pode-se ter medições confiáveis da pureza de ligas metálicas e misturas químicas e da qualidade do ar e água do ambiente.

Operabilidade

Alguns processos não seriam práticos ou mesmo possíveis, se não houvesse a instrumentação. Todo o campo nuclear é um exemplo de uma indústria que não existiria se não houvesse a instrumentação para medir a radioatividade. Ninguém tem a sensação física de perceber um raio-X aplicado em um dente ou a radiação natural das paredes mas existem instrumentos que medem tais coisas e estes instrumentos são vitais para a operação de uma usina nuclear.

Somente os instrumentos são capazes de medir continuamente a vazão de catalisadores para a produção de gasolina em um

craqueador catalítico. Somente a medição e o controle automático são capazes de conseguir a mistura exata de cores em tintas, em escala industrial. Os edifícios com dezenas de

Processo

andares não seriam práticos se não tivessem elevadores e seus sistemas de controle para transportar pessoas e equipamentos até às alturas.

Qualidade do processo

A medição e o controle automático conseguem a pasteurização de milhões de litros de leite, de modo apropriado para a saúde das pessoas. O processo de pasteurização requer a manutenção de uma temperatura elevada durante um determinado período de tempo para matar as bactérias nocivas, porém ao mesmo tempo, esta temperatura não pode exceder limites máximos nem ultrapassar determinados intervalos para não se perder os nutrientes do leite. Depois, o leite tem sua pureza testada e é armazenado em baixa temperatura controlada para manter sua qualidade. Somente a medição e o controle automático podem manter esta qualidade em escala industrial

Uma refinaria de petróleo deve fabricar vários tipos de gasolina (comum, azul, de aviação), óleo diesel, querosene para atender os diferentes usuários, que requerem diferentes combustíveis. Somente a medição e o controle automático podem conseguir estes produtos com qualidade estável e em quantidades industriais.

Contabilidade e Segurança

Os resultados acima poderiam ser obtidos mas também poderiam ocorrer acidentes e catástrofes se os instrumentos de medição e controle não operassem de modo apropriado e seguro. Se os instrumentos operassem fora de suas especificações, o resultado poderia ser um leite indevidamente pasteurizado que produziria doenças nas pessoas ou os carros, caminhões e aviões poderiam não funcionar ou gastar muito mais combustível que o previsto.

As usinas nucleares de produção de energia elétrica são muito complexas. Para garantir o funcionamento e segurança de uma usina, usam-se numerosos instrumentos redundantes, com funções superpostas, conforme normas exigentes e rigorosas, que excedem as especificações de instrumentos industriais comuns, que já satisfazem muitas normas.

Um exemplo de melhoria de disponibilidade e confiabilidade é usar instrumentos para reduzir a freqüência de manutenção de equipamentos de processo. Por exemplo, a água tratada que alimenta os geradores de vapor deve ter altíssima pureza, próxima da pureza de uma água distilada, para minimizar a corrosão dos tubos do gerador de vapor. A corrosão elimina material e afina as paredes da

tubulação, resultando em vazamento. A encrustação piora a transferência de calor dos gases quentes de combustão para a água, aumentando o consumo de óleo pelo gerador de vapor, resultando em uma menor eficiência operacional e aumentando os custos de operação. Analisadores químicos contínuos são usados rotineiramente para manter a água pura, protegendo o gerador.

Outro aspecto da confiabilidade é que os instrumentos não tem problemas humanos, por exemplo, não odeiam, não se apaixonam, não ficam com sono, não tem ressaca, não torcem pelo time de futebol, não tem preocupação financeira e não tem tensão pré menstrual. Enfim, os instrumentos são mais confiáveis.

Eficiência do processo

A eficiência do processo depende muito de como as variáveis são controladas. A eficiência está relacionada com o modo como a saída desejada se relaciona com as entradas do processo. Por exemplo, carvão contendo uma determinada energia termal é colocado em um gerador de vapor e queimado. Uma quantidade correspondente de vapor deve ser

teoricamente gerada se a planta opera com eficiência de 100%. Mas nenhuma planta é ideal, por causa das limitações físicas e dificuldades operacionais, inclusive as

fraquezas do operador. Se parte da limitações do operador da planta é substituída por instrumentos, a eficiência do processo aumenta. Maior eficiência significa maior produtividade e menor custo operacional.

Uma alta eficiência não requer somente um bom projeto do processo e do equipamento mas também a escolha dos instrumentos certos para fazer o processo operar do modo

desejável.

Custo de trabalho

Muitas funções de medição e controle que são feitas por pessoas podem ser feitas, no mínimo tão bem quanto, por instrumentos automáticos. O custo adicional de comprar, manter e operar os instrumentos, justifica plenamente a substituição de gente por instrumentos. A tendência histórica para plantas de processo é ter cada vez menos gente e mais instrumentos, por causa da vantagem econômica e da capacidade sobre-humana dos instrumentos.

2

Malha de Instrumentos

2.1. Seqüência de funções em uma

malha

Há três funções básicas de instrumentos: medir, controlar e manipular. Todos os instrumentos fazem uma ou a combinação destas três funções. Uma combinação de instrumentos ou funções que são interligados para medir ou controlar um processo é chamado de malha. A Fig. 2.1. mostra um diagrama de bloco de uma malha de instrumentos simples para controlar a velocidade de um automóvel.

O processo é o motor do carro em operação. O objetivo é manter constante a velocidade do carro. Há variações técnicas, mas se supõe que a velocidade do motor é um índice da velocidade do carro, significando que a velocidade do carro pode ser considerada constante se a velocidade do motor for constante, não importando se o carro está subindo, descendo ou no plano.

Para controlar a velocidade, o motorista do carro ajusta manualmente um controlador para manter uma velocidade, por exemplo, de 80 km/h. A velocidade real é continuamente medida por um sensor de velocidade, que manda um sinal para informar ao controlador qual é o valor da velocidade. O controlador então decide se a velocidade real é muito alta ou muito baixa. Se for muito baixa, o

controlador envia um sinal para uma válvula de combustível para abrir mais, para permitir um aumento da vazão de combustível. Se for muito alta, o controlador comanda a válvula para abrir menos. Se a velocidade estiver no valor

ajustado, nada se altera. Em qualquer caso, o motor aumenta ou diminui a velocidade, se e quando necessário. Através da medição, controle e manipulação contínuas, o sistema de controle mantém constante a velocidade do carro.

A figura mostra como o sensor não faz nada a não ser medir e enviar a informação para o controlador. O sensor é chamado também de

elemento primário. O controlador não faz nada

a não ser estudar a situação do processo, comparando o que está com o que devia estar

e então envia um comando para o elemento final de controle. O elemento final de controle não faz nada a não ser manipular a vazão do combustível. Aqui é onde é necessário fornecer uma força física para superar as forças do processo de modo a dar um bom controle. Na malha de controle, o elemento final de controle aplica uma grande força para fazer seu trabalho. A velocidade do carro é a variável controlada; a vazão do combustível é a variável manipulada.

Notas:

1. Setas indicam direção de vazão de material ou informação.

2. Os elementos da malha de controle do processo são mostrados em linha mais grossa

3. O controle mantém automaticamente a velocidade do carro constante.

4. A vazão do combustível é manipulada para controlar a velocidade.

Fig. 2.1. Controle da velocidade do carro

Um exemplo de outra malha de controle, tomado da indústria, é mostrado na Fig. 2.2. Um volume constante de água é armazenado em um tanque para fornecer uma reserva para o equipamento do processo que fornece água em vazões flutuantes. O controle automático é usado para manter o nível do tanque alto e para impedir o vazamento do tanque. Um sensor mede o nível de água e envia para um transmissor um sinal que corresponde a este nível. Um transmissor é um instrumento que passa adiante a informação que ele recebe do sensor em uma forma padronizada. O sensor pode ser parte ou não do transmissor. O transmissor então envia um sinal de medição

Vazão de combustível (elemento manipulado) Suprimento de combustível Controlador de velocidade Válvula de combustível (elemento final) Sensor de velocidade Motor (processo)

Combustão de ar Ajuste manual da velocidade

Malha de Instrumentos

para um controlador que comanda a válvula de controle, que, por sua vez, manipula a vazão de suprimento de água para o tanque, quando necessário, para manter constante o nível do tanque. A variável controlada é o nível do tanque; a variável manipulada é a vazão de entrada da água para o tanque.

A informação enviada pelo transmissor pode ser usada por outros instrumentos além do controlador. Por exemplo, esta informação pode ser usada por um indicador, registrador ou alarme. Estes instrumentos não fazem parte da malha de controle mas fazem parte da malha de instrumentos.

2.2. Combinando funções em um

único instrumento

Para medir ou controlar uma variável de processo pode ser necessário somente um único instrumento, mas, geralmente, são necessários vários instrumentos trabalhando juntos e formando uma malha.

Um termômetro caseiro sente e indica a temperatura; é um sistema de medição completo, uma malha completa. Um termômetro industrial geralmente possui o elemento sensor separado do indicador. Em outro exemplo, a medição de temperatura na indústria pode ser feita com um sensor, transmissor e indicador, todos separados e interligados entre si para indicar a temperatura do processo em local distante.

As funções individuais nem sempre são óbvias quando seu equipamento está uma única caixa física, mas todas as funções estão lá. Entendendo as funções básicas, pode-se entender melhor como os conjuntos operam. Como exemplo, seja o ferro elétrico de passar roupa, que é um único aparelho que possui uma malha completa de controle. O ferro é um regulador que mantém constante a

temperatura, com valores ajustáveis para algodão, seda, sintético e outros tecidos. Seu uso requer a intervenção e energia humanas, mas isto está separado de suas funções automáticas de controle de temperatura. O ferro controla sua temperatura, fornecendo um comando corretivo se a temperatura estiver diferente da temperatura ajustada, fechando ou abrindo um contato elétrico. Em temperatura abaixo da ajustada, a chave fecha, a corrente elétrica flui e esquenta o ferro, a temperatura aumenta e tende a ficar mais alta que a ajustada. Quando ela fica igual à ajustada, a chave abre, a corrente é interrompida e temperatura começa a abaixar e o ciclo de liga-desliga se mantém indefinidamente.

Um instrumento, duas funções - termômetro caseiro

Dois instrumentos, uma função por instrumento, duas funções no total

Fig. 2.2. Duas malhas para indicar temperatura Sensor Indicador

sinal

Indicador Sensor

Notas

1. As setas indicam direção de fluxo de material ou de informação.

2. Os elementos da malha de controle do processo são mostrados em linha mais grossa. 3. A vazão de água é manipulada para controlar o nível do tanque.

Fig. 2.3. Controle do nível de água em um tanque Ponto de ajuste manual do nível Suprimento de água Indicador Registrador Sistema de alarme Sistema de segurança Computador Usuários da água do processo Transmissor de nível Sensor de nível Válvula de controle (elemento final de controle) Controlador de nível Vazão da água (variável manipulada) Tanque de armazenagem (processo de nível)

3

Funções dos Instrumentos

3.1. Princípios Gerais de Medição

Há dois modos de se fazer uma medição: direta ou inferida.

Medição direta

Quando se quer saber se está ventando fora de casa, pode-se ir para fora e sentir na cara se está ventando. Esta é uma medição

direta. No caso de instrumentos, há medidores

diretos de vazão (rotâmetro caseiro e bomba de gasolina), que fornecem uma indicação direta do volume do fluido que passa através do medidor.

Medição inferida

Pode-se determinar se está ventando fora de casa apenas indo à janela e observando se as folhas das arvores, a superfície de um lago ou uma bandeira em um mastro estão se mexendo. Estas medições são inferidas ou indiretas. Elas dependem de sentir os efeitos do vento em vez de sentir o próprio vento. Na indústria, a medição de vazão de fluidos através da placa de orifício, mede-se a vazão através da medição da pressão diferencial gerada pela placa, quando a vazão do fluido passa no seu interior.

A medição inferida sente o efeito criado pela variável que se quer medir e não sente

diretamente a variável que se quer medir. A maioria das medições das variáveis de processo é inferida. Por exemplo, mede-se a pressão através da deformação elástica, mede-se a temperatura através da milivoltagem criada pelo termopar ou da resistência elétrica que dependem da temperatura medida.

Faixa e Span

Cada variável medida e cada instrumento de medição possuem uma faixa selecionada.

Faixa é definida como o limite inferior e o limite

superior de variação ou utilidade. O limite superior é chamado de fundo de escala. Por exemplo, suponha que se queira selecionar um termômetro para medir a temperatura externa de um ambiente. A temperatura, na Bahia, pode variar entre 18 e 40 oC. Para se ter alguma margem em cima e em baixo, se estende a escala para 5 e 50 o_{C. A faixa de}

temperatura de projeto ou de trabalho é então

de 18 a 40 oC e a faixa de temperatura do

instrumento é de 5 a 50 oC.

Amplitude da faixa, ou span é a diferença

algébrica entre os limites superior e inferior da faixa. Para um termômetro com faixa de -40 a 130 oC, a largura de faixa é igual a 170 oC, pois

130 - (-40) = 130 + 40 = 170 o_C

Um velocímetro de automóvel tendo faixa de 0 a 240 km/h tem a largura de faixa de 240 km/h.

A faixa é sempre expressa por dois números; a amplitude da faixa por um único número positivo.

Fig. 3.1. Faixa e amplitude de faixa do instrumento

Limite inferior da faixa -20 115 0 130 -40 Faixa de projeto = -20 a +115 o_C Largura de projeto = 135 o_C Limite superior da faixa Fundo de escala Faixa do instrumento = -40 a +130 o_C Largura do instrumento = 170 o_C

Medição

Medições estáticas e dinâmicas

Suponha que se quer medir a temperatura da água dentro de uma vasilha sobre uma mesa de casa. Põe-se um termômetro de haste de vidro dentro d'água, espera-se três minutos para que a temperatura do termômetro atinja a temperatura da água e faz-se a leitura na escala de vidro. Esta medição é relativamente fácil, por que a temperatura da água é

praticamente constante.

Quando se quer medir a temperatura de um forno cuja temperatura está variando

continuamente entre 80 e 85 o_{C, a leitura do}

termômetro se torna difícil, pois a temperatura está oscilando continuamente. Em um dado momento, ela está em 80 oC, logo depois em 81 o_{C e não se equilibra.}

A medição da temperatura constante é feita sob condições estáticas, também conhecidas como estado de regime ou em equilíbrio. Quando a temperatura está aumentando ou variando continuamente, as condições são dinâmicas, também conhecidas como instáveis ou transitórias. Em um dado momento, quando as temperaturas medidas e indicadas estão se alterando e são diferentes, a diferença é o erro dinâmico.

O termo dinâmico é relativo. Alguns

sensores são muito rápidos para responder às variações e tem uma resposta rápida ou um tempo de resposta curto. Outros sensores tem um resposta lenta e um tempo de resposta longo. Quando se mede uma temperatura que está variando, há pequeno erro dinâmico quando se usa um termômetro com resposta rápida ou quando a variação da temperatura é muito lenta. O erro dinâmico é grande quando se usa um termômetro com resposta lenta e quando se varia rapidamente a temperatura que se quer medir.

A Fig. 3.2. mostra como uma variação brusca da entrada de um instrumento de seu valor inicial de regime para seu valor final de equilíbrio causa uma variação gradual na saída do instrumento. A variação brusca, que

teoricamente é feita instantaneamente, é conhecida como variação degrau. O modo padrão de descrever o tempo de resposta de um sistema simples é pela constante de tempo, que é baseada na variação de 63,2% da saída causada por uma entrada tipo degrau. Por exemplo, se a constante de tempo de um dado instrumento é de 6 segundos, então quando se aplica uma entrada degrau na entrada, a saída irá atingir 63,2% do valor final da saída em 6 segundos.

Quando se comparam os tempos de resposta de dois instrumentos diferentes, é importante estabelecer estes tempos do mesmo modo. Quando isto não é feito, é difícil

avaliar o desempenho relativo destes instrumentos diferentes.

Fig. 3.2. Atrasos: tempo morto e tempo característico

Calibração do Instrumento

Calibrar um instrumento é fazer sua saída corresponder a uma série de entradas deste instrumento. Os dados assim obtidos são usados para:

1. determinar os pontos em que as graduações da escala devem ser colocados,

2. ajustar a saída do instrumento para os valores desejados,

3. avaliar o erro, comparando o valor real lido com o valor ideal da saída. Por exemplo, calibrar um transmissor eletrônico de temperatura, com saída de 4 a 20 mA cc, na faixa de 0 a 200 oC, é ajustá-lo (parafuso de zero e de largura de faixa) para que estas curvas se correspondam.

Verdade na Medição

Todas as medições são imperfeitas por que os instrumentos que as executam são

imperfeitos. Há limites para que uma medição seja feita corretamente. Quanto mais o valor da medição se aproximar do valor verdadeiro, mais precisa e exata é a medição. A maior precisão é obtida usando-se o instrumento mais preciso, a melhor técnica de medição e tomando-se a média de muitas medições replicadas. Mesmo a medição feita com o instrumento científico mais preciso de um país é imperfeita.

Exatidão

Erro de exatidão é a diferença entre o valor medido e o valor verdadeiro. Suponha-se que a temperatura ambiente de uma sala seja de 20,123 456... oC, mesmo que não se conheça isto. Quando se lê o termômetro da sala, ele indica a temperatura de 20 o_{C e se diz que a}

temperatura da sala é de 20 o_{C. Não se pode}

ler a temperatura da sala, mesmo que tome o máximo cuidado. Poderia se usar um

Medição

termômetro mais preciso, de laboratório, cuja leitura seria de 20,123 oC, que ainda possui um erro residual. Nunca se alcançará a verdade absoluta; qualquer medição se aproxima mais ou menos do valor verdadeiro dependendo da precisão do instrumento de medição.

No exemplo acima e para fins práticos, seja a temperatura da sala igual à indicada pelo termômetro mais preciso: 20,123 oC. O erro do primeiro termômetro vale 20 - 20,123 oC, igual a -0,123 oC. Um erro negativo significa que a leitura é menor que o valor verdadeiro; erro positivo significa que a leitura é maior que o valor verdadeiro.

Em certos casos, o erro não tem a mínima importância. Para quem está na sala acima, não há nenhuma diferença que a temperatura esteja em 20 oC em vez de 20,123 oC.

Uma incoerência da terminologia da metrologia é que um erro, que é a imprecisão ou inexatidão, seja chamado de precisão ou exatidão. A precisão ou exatidão da medida acima é de -0,123/20 = -0,006 do valor medido ou -0,6% da leitura.

O modo como as precisões são expressas pelos fabricantes e usuários de instrumentos pode causar mal entendidos em comparações e aplicações práticas. Em um exemplo prático e de outra área, sejam os rendimentos da

poupança do banco igual 4% ao mês e os rendimentos do Fundão igual a 6% ao mês. Quando se comparam as duas taxas de juros, pode dizer que a diferença é de 2% ou então é de 50% (2/4 x 100%) ou mesmo de 33% (2/6 x 100%). As três expressões podem estar corretas mas são diferentes e calculadas por modos diferentes.

Em metrologia e instrumentação não há um modo padronizado e consensado de se expressar a exatidão (ou a inexatidão) ou precisão (ou a imprecisão) dos instrumentos. Na maioria dos casos, por má fé,

incompetência ou desconhecimento do assunto, a expressão é incompleta, ambígua ou mesmo errada.

Geralmente usam-se as expressões de percentagem do fundo de escala (full scale), da largura de faixa (span), da faixa calibrada e do valor lido. Também se expressa a precisão em unidade de engenharia, especificando a faixa medida.

Um instrumento de grande precisão e pequeno erro é preferível a outro de pequena precisão e grande erro. É uma questão associada a cada aplicação a análise do custo e benefício de se usar um instrumento de grande precisão.

A precisão resultante de uma série de instrumentos em uma malha é geralmente pior do que a precisão de cada instrumento

individual, por que a precisão da malha inclui os efeitos degradantes de todas as imprecisões individuais. Para fins de cálculo, a precisão da malha é sempre pior ou menor que a de cada instrumento individual. Quando se mede a precisão da malha, é possível que se encontre uma incerteza resultante menor e até

desprezível, mas isto é uma questão de probabilidade e só é válida para aquele momento da medição.

Precisão

As palavras exatidão e precisão tem significados diferentes. Como visto, exatidão é a diferença entre o valor lido (aparente) do valor verdadeiro (ideal) da variável. Exatidão é uma comparação entre uma leitura e a

verdade.

Precisão é a proximidade de cada medição com outra de sucessivos valores lidos da variável. Precisão é uma comparação entre diferentes leituras de um mesmo valor da variável. É uma medida do espalhamento de valores supostamente iguais. A Fig. 3.3.(a) ilustra a diferença entre exatidão e precisão. Tiro ao alvo.

Repetibilidade

Repetibilidade é a propriedade do

instrumento dar o mesmo valor da saída para o mesmo valor da entrada, mantendo-se o mesmo operador e todas as condições de contorno. A repetibilidade é observada e medida quando se varia a entrada do instrumento sobre toda sua faixa, subindo e descendo e medindo os valores

correspondentes da saída e repetindo esta operação várias vezes. Por causa das várias imperfeições do instrumento, obtêm-se várias linhas diferentes para cada subida e descida e diferentes entre as várias subidas e as várias descidas. Ou seja, as linhas de subida não coincidem com as linhas de descida e as várias linhas de subida e de descida não coincidem entre si. Esta falta de repetibilidade é chamada de histerese do instrumento. Se o instrumento não tivesse histerese e operasse perfeitamente haveria apenas uma linha em vez das várias linhas diferentes.

Medição

(a) Exatidão versus Precisão Notas:

1. O objetivo é medir o valor verdadeiro da variável de processo. Qualquer medição dentro da faixa de erro permissível é considerada de alta exatidão, fora da faixa é de baixa exatidão. Um pequeno espalhamento das leituras mostra uma alta precisão, um grande espalhamento, baixa precisão.

2. Foram feitas três leituras com quatro instrumentos, (i), (ii), (iii) e (iv).

(b) Repetibilidade versus Reprodutitividade Nota

As várias curvas de medições repetidas se desviam entre si por causa da inexatidão do instrumento. O ideal seria uma única linha reta de 0 a 100%, em todas as medições, subindo e descendo

Fig. 3.3. Verdade na medição

Para uma dada entrada, a largura de faixa dos valores crescentes da saída é a

repetibilidade da subida e a largura de faixa dos valores decrescentes é a repetibilidade da descida. Para esta entrada, a largura de faixa dos valores extremos das saídas crescente e decrescente é a reprodutitividade. Estes termos são ilustrados na Fig.3.3(b). A falta de

coincidência das linhas que deveriam coincidir idealmente revela a não repetibilidade não reprodutitividade; mesmo assim se fala de repetibilidade e de reprodutitividade e elas são expressas em percentagem da largura de faixa.

A reprodutitividade é uma palavra mais útil que repetibilidade, pois ela inclui a

repetibilidade mais outros parâmetros da precisão como desvio durante um intervalo de tempo (drift), histerese e banda morta.

3.2. Transmissão da Informação

Entrada e saída são palavras essenciais para discutir os instrumentos de processo.

Entrada

Entrada é qualquer informação que é fornecida a um instrumento ou outro equipamento. A informação pode vir

1. diretamente do processo, como de um elemento sensor de temperatura, pressão, nível ou vazão ou

2. na forma de um sinal padrão pneumático ou eletrônico gerado por um transmissor ou outro instrumento condicionador do sinal.

3. na forma de um sinal padrão gerado pelo controlador, que modifica sua entrada e envia o seu sinal de saída para o elemento final de controle.

Saída

Saída é a informação ou outro efeito produzido por um instrumento ou outro equipamento. A saída pode ter uma das seguintes formas:

1. um sinal para um ou mais outros instrumentos

2. uma leitura na escala de indicador 3. um registro no gráfico de registrador 4. um sinal luminoso (lâmpada) ou de

áudio (buzina ou sirene) de alarme para mostrar o status do processo

5. uma mensagem na tela do computador 6. a variável manipulada pela válvula de

controle. A entrada da válvula é a saída do controlador.

As palavras entrada e saída são usadas não apenas para instrumentos individuais mas também para sistemas de instrumentos. Elas

Faixa de erro permissível Zona de alta exatidão

Valor

verdadeiro _{Exatidão Precisão} Medição (i) (ii) (iii) (iv) Alta Alta Alta Baixa Baixa Alta Baixa Baixa

Medição

também são usadas em situações de não engenharia.

Em uma malha de instrumentos, a saída de um instrumento é entrada do próximo

instrumento. Por exemplo, na Fig. 3.4 tem-se uma malha de controle, indicação, registro, alarme de nível de um tanque, com um transmissor de nível, controlador e válvula de controle na entrada do tanque. As entradas e saídas do sistema são as seguintes:

1. A primeira entrada é a informação acerca do nível do líquido do tanque. O sensor de nível detecta o valor do nível e entrega este sinal ao transmissor de nível.

2. O transmissor de nível recebe o sinal do sensor e gera na sua saída um sinal padrão proporcional ao nível, que será entrada de vários instrumentos

receptores.

3. O indicador de nível recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e apresenta o valor do nível ao operador, através do conjunto escala e ponteiro (analógico) ou de dígitos (digital). A saída do indicador não é um sinal mas a própria indicação.

4. O registrador de nível recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e imprime o valor do nível no gráfico, através de uma pena. A saída do registrador não é um sinal mas o próprio registro.

5. O sistema de alarme recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e irá acender uma lâmpada ou soar uma sirene quando o valor do nível atingir valores críticos determinados. As saídas do sistema de alarme são contatos elétricos que irão mudar o status (de aberto para fechado ou de fechado para aberto) quando o valor do nível atingir valores críticos. As lâmpadas e sirene estão ligadas à saída do sistema de alarme.

6. O controlador recebe em uma de suas entradas o sinal de saída do transmissor de nível. Na sua segunda entrada ele recebe o ponto de ajuste, estabelecido manualmente pelo operador e igual ao valor desejado para o nível. A partir da diferença destes dois sinais (medição e ponto de ajuste), chamada de erro, o controlador gera um sinal de saída, padronizado que vai para a válvula de controle.

7. A válvula de controle recebe em sua entrada o sinal de saída do controlador. A saída da válvula de controle é a sua abertura, que dá passagem para a vazão

do líquido que enche o tanque. Quando sinal de saída do controlador varia, a abertura da válvula varia e a vazão de entrada também varia.

O sinal de saída do transmissor pode ainda alimentar outros instrumentos, como

computador de aquisição de dados, sistema de intertravamento.

A maioria dos instrumentos requer uma alimentação, elétrica ou pneumática, para funcionar. Porém, a alimentação do

instrumento não é considerada entrada pois não contem informação. A alimentação é a energia necessária para o funcionamento do instrumento. O instrumento alimentado funciona corretamente somente quando manipula sinais em sua entrada e saída.

Sinais de Instrumento

O sinal é uma variável que contem uma informação e que representa uma variável de processo. Por exemplo, o transmissor pneumático de nível gera um sinal na sua saída, padrão de 20 a 100 kPa, que é função linear do valor do nível. Quando a saída do transmissor for igual a 20 kPa significa que o nível está em 0%, quando a saída valer 100 kPa o nível está em 100% e quando a saída for de 60 kPa o nível está em 50%. A mesma situação ocorre com o transmissor eletrônico de nível, com saída de 4 a 20 mA cc:

saída de 4 mA cc significa nível de 0%, 12 mA cc equivale a nível de 50% 20 mA cc significa 100%.

Há três tipos básicos de sinais: binário, analógico e digital.

Sinal binário

O sinal binário é o tipo mais simples, possuindo dois valores discretos possíveis: 0 ou 1, ligado ou desligado, sim ou não, verdadeiro ou falso. Discreto significa que consiste de duais partes individuais distintas e desligadas. A saída de um instrumento binário muda de um valor para outro de acordo com sua entrada, que pode ser maior ou menor que um valor de referência.

Um termostato ou chave de temperatura é um exemplo de um dispositivo que fornece sinal binário. Seja um termostato ajustado para a temperatura de 20 o_{C. Sua saída liga e}

desliga o motor do compressor de ar

condicionado. Quando o motor estiver ligado, o compressor funciona e abaixa a temperatura da sala. Assim, quando a temperatura atingir 20 oC o termostato desliga o compressor e a temperatura começa a subir. Quando passa por 20 oC subindo, o termostato liga o compressor e a temperatura começa a descer e o ciclo se repete. A função única do termostato é verificar

Medição

se a temperatura da é menor que 20 oC. Se for menor, ele desliga o compressor; se for maior ele liga o compressor. O sinal de saída do termostato é sempre ligado ou desligado, com nada no meio.

O sinal binário pode ter ações diferentes: direta ou inversa. Na ação direta, quando a medição estiver abaixo do valor desejado, a saída está desligada e quando estiver acima do ajustado, a saída está ligada. Na ação inversa quando a medição estiver abaixo do valor desejado a saída está ligada e quando estiver acima do valor desejado a saída está

desligada.

Um sinal binário é, às vezes, chamado de sinal digital ou sinal digital discreto. Porém, o sinal binário, em qualquer momento, somente diz se uma condição está ligada ou desligada. O estado do sinal pode ser momentâneo ou durar indefinidamente. O sinal binário não tem a natureza periódica e repetitiva do sinal digital verdadeiro.

Sinal analógico

O sinal analógico é aquele que varia continuamente e quando vai de um ponto a outro, assume todos os infinitos valores intermediários entre os dois pontos. A sua variação é contínua, sem saltos bruscos e sem quebras. O ajuste automático da saída

analógica de um instrumento, quando sua entrada varia, é conhecido como modulação.

Para a maioria dos instrumentos analógicos, a saída varia em uma relação biunívoca com a entrada: para cada valor da entrada há um valor de saída e cada valor da saída

corresponde a um único valor da entrada. Para a minoria dos instrumentos analógicos,

incluindo o controlador analógico, a saída do instrumento pode variar não apenas em função da entrada, mas também em função do tempo e neste caso pode-se ter saídas diferentes para uma única entrada, mas variando com o tempo.

A maioria das pessoas, quando fala de analógico e digital, geralmente só pensa na indicação. A indicação analógica é aquela obtida pelo conjunto escala e ponteiro, um móvel em relação ao outro.

Sinal digital

Um sinal digital tem elementos discretos, tipicamente um trem de pulsos cuja altura, freqüência ou formato varia de um modo que corresponda exatamente à variação do sinal de saída. Embora o sinal tenha uma forma de pulso, a informação transportada pode ser binária, analógica, numérica ou alfabética. O sinal de pulso pode ser convertido

subseqüentemente na forma binária ou analógica ou em um conjunto de símbolos

discretos como os dígitos numéricos ou letras alfabéticas para fornecer uma mensagem inteligível para um operador. O uso combinado de letras e números é chamado de

alfanumérico. Por exemplo, há instrumentos que enviam sinais digitais para representar uma vazão, pressão, temperatura ou outra variável de processo. O relógio digital comum conta pulsos elétricos e fornece uma leitura, analógica ou digital, usando os dez dígitos do sistema decimal de numeração.

Existem conversores de sinais para

transformar sinais digitais em outras formas de sinal e vice-versa.

Faixas de sinais

Sinais binários, por definição, tem somente dois valores, alto e baixo. Sinais analógicos tem uma série inquebrável de valores entre 0 e 100% de sua faixa. Os valores nominais dos sinais mais comuns são mostrados na Tab. 3.1 As normas ISA S7.4 e S50.1 definem os sinais pneumático e eletrônico.

Além dos sinais mostrados na Tab. 3.3, há outros tipos usados, tais como

eletromagnéticos (medidor magnético de vazão), óptico, infravermelho (medidor de temperatura), radiativo (medidor de nível), acústico ou ultra-sônico (medidor de vazão e nível)

As faixas padrão de transmissão raramente começam de zero, por dois motivos vantajosos:

1. detecta erro, quando há problema na transmissão,

2. melhora a precisão no início da faixa. Nas faixas de transmissão padrão de 20 a 100 kPa e de 4 a 20 mA, os valores de 20 kPa e de 4 mA são conhecidos como zeros vivos.

São disponíveis conversores de sinais, com diferentes entradas e saídas, para

compatibilizar o uso de instrumentos que manipulem sinais de diferentes tipos. Assim, existem conversores de analógico para digital (A/D), digital para analógico (D/A), sinal pneumático para corrente, corrente para pneumático, pulso para corrente e corrente para pulso.

Medição

Fig. 3.4. Cadeia de informação para uma malha de instrumentos Entrada

Nível do

tanque Sensor de _nível Transmissor

de nível Registrador de nível Sistema de alarme Sistema de segurança Computador Controlador de nível Ajuste manual do nível Válvula de controle Saída Entrada Entrada Entrada

Notas: As fontes de alimentação não estão mostradas

Vazão do processo Transmissor de nível Saída Saída Saída Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada

Medição

Fig. 3.5. Compatibilidade dos sinais dos instrumentos

Transmissor de nível Registrador de nível Conversor de sinal Conversor de sinal Conversor de sinal Sistema de alarme Sistema de segurança Computador Controlador de nível Ajuste manual do nível Válvula de controle Sinal de comando 20 a 100 kPa

Notas: As fontes de alimentação não estão mostradas

Vazão do processo 20 a 100 kPa 20 a 100 kPa 1 a 5 V 10 a 50 mA Nível do

tanque Sensor de _nível

Transmissor de nível

4 a 20 mA Sinal não padrão

Medição

Notas:

Simbolismo baseado na norma ANSI/ISA S5.1

O sinal de comando para o controlador LC-1 é omitido aqui porque ele é normalmente embutido no controlador como uma chave de ajuste

Fig. 3.6. Simbologia padrão para a malha de Instrumentos da Fig. 3.5.

I/I Suprimento de água 4 a 20 mA Sinal padrão do fabricante 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) Usuários da água do processo Tanque de armazenagem (processo de nível) LT 1 LI 1 LV 1 LR 1 LE 1 I/E 1 a 5 V I/P LY 1A LY 1B UU 4 LY 1C LC 1 UA 2 UU 4

Medição

Tab.3.1. Faixas nominais de sinais

Tipo Meio

Valores

Binário (on-off) Eletricidade

corrente alternada 0 a 120 V ca

corrente contínua 0 a 24, 48 ou 125 V cc

pneumática 0 a 170, 240, 700 kPa

hidráulico 0 a 20 000 kPa

Analógico

(modulante) Corrente contínua -10 a +10 V cc 1 a 5 V cc

4 a 20 mA cc*

10 a 50 mA cc

Pneumático 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0

kgf/cm2 _{ou 3 a 15 psi)}

* Faixa padrão

Tab. 3.2. Expressão da Exatidão do Instrumento com faixa calibrada de 0 a 850 o_C

Expressão da exatidão

Observações

±0,1% do fundo de escala Expressão correta

Erro absoluto constante e igual a ±0,1% x 850 o_{C = 0,85} o_{C em qualquer}

ponto da faixa. Este instrumento dá grandes erros relativos para leituras no início da faixa de medição. Deve ser usado em leituras próxima do fundo da escala.

Para leitura de 500 oC, exatidão de ±0,85 o_C/500 o_{C = 0,2%.}

Para leitura de 100 o_{C, exatidão de ±0,85} o_C/100 o_{C = 0,9%.}

Para leitura de 8,5 oC, exatidão de ±0,85 o_C/8,5 o_{C = 10%.}

±0,1% do valor medido ou ±0,1% da leitura

Expressão correta

Erro relativo constante e igual a ±0,1%. Erro absoluto diminui linearmente e é menor no início da faixa de medição.

Para leitura de 850 oC, exatidão de ±0,1% x 850 o_{C = 0,9} o_C

Para leitura de 500 oC, exatidão de ±0,1% x 500 o_{C = 0,5} o_C

Para leitura de 100 o_{C, exatidão de ±0,1% x 100} o_{C = 0,1} o_C

Para leitura de 10 oC, exatidão de ±0,1% x 10 o_{C = 0,01} o_C

±0,1% da largura de faixa ou ±0,1% do span

Expressão correta e equivalente a % do fundo de escala pois o erro absoluto é constante em qualquer ponto da faixa de medição. É numericamente igual quando a faixa começa em zero e é maior para faixas com zero elevado (p. ex., -50 a +850 o_{C) e é menor para faixa}

com zero suprimido (+50 a +850 oC).

±0,1% da faixa de medição Expressão incorreta pois a faixa é definida por dois números

±0,1% Expressão incorreta pois está incompleta. Deve ser completada com um

valor de referência, como fundo de escala ou valor medido ±0,85 o_{C sobre toda a faixa Expressão correta, equivalente a % do fundo de escala.}

±0,25 o_{C em 25% da largura}

de faixa

Expressão correta ±0,25 o_{C em 250} o_{C Expressão correta}

±0,25 o_{C Expressão incompleta. Deve ser completada com a região ou ponto de}

faixa de medição ±0,25 o_{C entre 25 e 75% da} faixa de medição Expressão correta ±0,25% da largura da faixa calibrada Expressão correta

Medição

Fig. 3.7. Conceito básico de multiplexação Transmissor 1 Transmissor 2 Sistema Codificador Sistema Decodificador Receptor 2 Receptor 3 Transmissor 3

Canal de dois fios para sinal individual (típico)

Canal comum de dois fios para todos os sinais

Notas:

1. A informação do transmissor 1 vai para o receptor 1 somente. Do mesmo modo, 2 para 2, 3 para 3, n para n. 2. Os receptores podem ser instrumentos ou pontos e computador

3. O sistema de codificação pode ser interno ao receptor.

4. O símbolo de linha interrompida denota uma linha ou distância indefinidamente longa.

Sinais convergentes

A Fig. 3.5 mostra a saída do transmissor de nível enviando informação para seis

instrumentos receptores. Foi assumido que o sinal de saída do transmissor é compatível com a exigência de entrada de todos os receptores, exceto com o sistemas de alarme e segurança e computador. A Fig. 3.6 mostra como este problema é resolvido pela colocação de conversores de sinal. São disponíveis

conversores para várias combinações de sinais de entrada e de saída.

Canal de Sinal Compartilhado

Às vezes, um grande número de sinais é submetido a uma mesma modificação ou transmitido através de longas distâncias. Pode-se projetar um sistema de modo que os sinais sejam compartilhados por um único

instrumento ou por um único canal de comunicação. Este compartilhamento é conhecido como multiplexagem com compartilhamento no tempo. Ele requer o chaveamento de sinal para sinal. O chaveamento é chamado de varredura (scanning). Quando feita automaticamente, a varredura pode ser da ordem de 50 pontos por segundo ou mais rápida. Este arranjo requer equipamento adicional para fazer a

multiplexagem mas economiza pelo uso de menos instrumentos e menos fiação, ou ambos.

A multiplexagem é a base dos sistemas distribuídos digitais, onde a informação é transmitida através de uma via de dados (data highway), com um único par de fios que leva a informação para e de muitos instrumentos.

Identificação e símbolos dos instrumentos

Uma malha de medição e controle de processo é constituída de vários instrumentos, cada um executando uma determinada função complementar, de modo que a malha possui alguns instrumentos e uma planta pode ter centenas e até milhares de instrumentos individuais. Como resultado, deve haver um esquema eficiente para identificar cada malha entre as centenas existentes e cada

instrumento na malha. Esta identificação deve ser única para um instrumento e é definida no projeto, verificada no recebimento e

acompanhada na instalação, teste, calibração, operação, armazenamento e documentação do instrumento. Também deve haver um esquema para simbolizar o instrumento em esquemas e

diagramas de engenharia. Para atender estas necessidades, foram escritas as normas ISA S5.1 e S5.3, traduzidas e adaptadas para o português pela ABNT.

Tag, número de identificação ou etiqueta do instrumento é a identificação atribuída ao instrumento. Ela consiste de um conjunto alfanumérico, onde basicamente:

1. a primeira letra se refere à variável associada ao instrumento. Por exemplo: a) P para Pressão

b) L para Nível (level) c) F para Vazão (flow) d) T para Temperatura e) A para Análise

f) E para elemento sensor

2. a segunda letra (quando há apenas duas) se refere à função do instrumento, como

a) I para Indicação ou Indicador b) T para Transmissão ou Transmissor c) C para Controle ou Controlador d) R para Registro ou Registrador e) S para Chaveamento ou Chave (switch)

f) A para Alarme

3. Opcionalmente, a primeira letra referente à variável de processo pode ter

modificador, por exemplo a) D para Diferencial b) F para Fração c) J para Varredura d) Q para Totalização e) S para Segurança

4. Opcionalmente, a segunda letra

referente à função.do instrumento pode ter modificador, por exemplo:

a) H para Alto (High) b) L para Baixo (Low)

5. Em um tag com três letras, o bom senso e a lógica determinam se a segunda letra é modificadora da primeira ou se a terceira é modificadora da segunda. Por exemplo:

a) PDI significa Indicador de Pressão Diferencial (D é modificador de Pressão) b) PAH é Alarme de Alta de Pressão (H é modificador de Alarme)

6. Além do conjunto de letras, a identificação do instrumento inclui o número da malha. Assim, a identificação completa de um instrumento pode ser: a) PDI-501

b) PAH-502 c) FRC-503

A Tab. 3.3 mostra todas as letras do alfabeto e as variáveis, funções e modificadores associados.

Tab. 3.3. Letras de Identificação

Primeira letra Letras subsequentes

Variável Modificador Função display Função saída Modificador

A Análise (5,19) Alarme

B Queimador Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1)

C Escolha (1) Controle (13)

D Escolha (1) Diferencial

E Voltagem (f.e.m.) Elemento sensor

F Vazão (flow) Fração/Relação (4)

G Escolha (1) Visor (9) ou

indicador local

H Manual (hand) Alto (high) (7,

15, 16)

I Corrente Indicação (10)

J Potência Varredura (scan) (7)

K Tempo Tempo de mudança

(4,21) Estação (22) controle

L Nível (level) Lâmpada (11) Baixo (low) (7,

15, 16)

M Escolha (1) Momentâneo Médio (7,15)

N Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1)

O Escolha (1) Orifício ou

Restrição

P Pressão, Vácuo Ponto (teste)

Q Quantidade Integral, Total (4)

R Radiação Registro (17)

S Velocidade ou

Freqüência

Segurança (8) Chave (13)

T Temperatura Transmissão (18)

U Multivariável (6) Multifunção (12) Multifunção (12) Multifunção (12)

V Vibração, Análise

mecânica Válvula, (13) damper

W Peso, Força Poço (well)

X Não classificado (2)

Variável a definir Eixo X classificado (2) Não Não classificado (2) classificado (2) Não

Y Evento, Estado

Função a definir

Eixo Y Relé, computação

(13, 14, 18)

Z Posição ou

Medição

Notas para a Tabela das Letras de Identificação

1. Uma letra de "escolha do usuário" tem o objetivo de cobrir significado não listado que é necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de primeira letra ou outro

significado de letras subsequentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como "módulo de elasticidade" como uma primeira letra ou como "osciloscópio" como letra subsequente.

2. A letra X não classificada tem o objetivo de cobrir significado não listado que será usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer número de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do círculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistência e XX pode ser um osciloscópio de consistência.

3. A forma gramatical do significado das letras subsequentes pode ser modificado livremente. Por exemplo, I pode significar indicador, ou indicação; T pode significar transmissão ou transmissor.

4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M

(momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As letras modificadoras são usadas quando aplicável.

5. A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de

identificação. Por exemplo, análise de pH, análise de O2. 6. O uso de U como primeira letra para multivariável em lugar de uma combinação de outras primeiras letras é opcional. É recomendável usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o número de letras for muito grande. Por exemplo, é preferível usar PR/TR para indicar um registrador de pressão e temperatura em vez de UR. Porém, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variáveis diferentes, deve-se usar UR.

7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), médio (M) e varredura (J) é opcional.

8. O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Assim, uma válvula auto-atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, local de montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurança de pressão).

9. A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão.

10. A indicação normalmente se aplica a displays analógicos ou digitais de uma medição instantânea. No caso de uma estação manual, a indicação pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste.

11. Uma lâmpada piloto que é parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira

letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lâmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lâmpada de totalização de tempo). A lâmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lâmpada de voltagem), pois a voltagem é a variável medida conveniente para indicar a operação do motor ou YL (lâmpada de evento) assumindo que o estado de operação está sendo monitorado. Não se deve usar a letra genérica X, como XL

12. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um relé, um controlador liga-desliga ou uma válvula de controle, dependendo da aplicação. Se o equipamento manipula uma vazão de fluido do processo e não é uma válvula manual de bloqueio liga-desliga, ela é projetada como válvula de controle. É incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que não seja uma válvula de controle auto-atuada. Para todas as aplicações que não tenham vazão de fluido de processo, o equipamento é projetado como:

a) Chave, se for atuada manualmente. b) Chave ou controlador liga-desliga, se for

automático e for o primeiro dispositivo na malha. O termo chave é geralmente usado se o dispositivo é aplicado para alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O controlador é usado se o dispositivo é aplicado para o controle de operação normal.

c) Relé, se for automático e não for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga.

13. As funções associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão; TY pode ser o conversor corrente para -pneumático em uma malha de controle de temperatura. Quando a função é auto-evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente-para-pneumático ou pneumático-para-corrente a definição pode não ser obrigatória.

14. Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mínimo crítico. Os termos alto e baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de abrir e fechar são assim definidos:

a) alto significa que a válvula está totalmente aberta b) baixo significa que a válvula está totalmente fechada

15. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informação que permita a sua recuperação por qualquer modo.

Medição